概念转变视角下的STEM教学设计研究

张静文

【摘 要】建构科学概念，培养学生提出科学问题、分析和解决问题的能力是小学科学的主要任务；小学科学是一门基础性、实践性和综合性的课程。基于此课程的特点，借鉴STEM教育，选取两个平行班分别作为实验班和对照班，实施前测。以概念转变理论为指导思想，从前测数据出发，提出基于概念转变视角的STEM教学设计，并实施后测，验证该教学设计的有效性。

【关键词】概念转变；STEM教育；小学科学；前概念；教学设计

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2018）01-0057-03

2006年，美国总统布什提出要培养具有STEM素养的人才；2009年，奥巴马大力资助STEM教育[1]。2016年，“STEM教育”首次被我国写入“十三五”规划。目前，STEM的理论和实践研究都如火如荼的进行着。

概念转变是当代科学教育研究中重要的领域[2]。概念转变理论认为学生头脑不是“空白”的；重视学生的前概念，有助于完成概念的转变。研究表明，学习者越早接触STEM相关活动，越有利于培养其综合素质[3]。小学阶段是早期科学启蒙的重要阶段[4]，应当重视小学生STEM的全面发展。所以本文以小学五年级科学《形状与结构》单元为例，从概念转变视角出发，展示小学科学课程全新的教学设计。

概念转变视角下的教学设计实例

1.课程主题和对象

本研究以“游乐园建筑物的建造”为主题，贴近生活实际，激发学生兴趣。研究对象为南京市某小学五年级的学生。

2.活动划分

本研究单元共四节内容，对其进行划分，主要分成了3大部分：

（1）问题引入：确立造房子任务；

（2）背景经验活动：环球房之旅、感受形状与承受力的关系、感受形状与稳固性的关系和建桥梁；

（3）解决问题：设计、制作模型和展示、交流与评价。

3.学习目标

（1）激发学生的科学热情和科学探究的乐趣；

（2）将所学知识应用到现实生活中；

（3）以小组合作的形式培养学生的交流、合作和互相评价的能力。

4.学生前概念调查与分析

选取两个平行班分别作为实验班和对照班，进行“形状与结构”单元学生前概念的问卷调查。将调查结果中出现的前概念分为五种类型，分析其产生原因，并提出了对应的教学方法，具体如下：

张冠李戴：柱形和台形分不清。

产生原因是观察粗略，对局部事实的总结，可采用对比法和演示法。

先入为主：将承受力和稳定性这两个概念混淆，错把承重能力理解为稳定性。

产生原因是先入为主的日常生活经验，可采用实验探究法。

一知半解：知道鸡蛋的承重能力大，但是说不清楚原理。

产生原因是获取了不完整的科学概念，可采用演示法、实验法。

墨守成规：知道三角形具有稳定性，但是难以在现实生活中应用或者解决现实问题。

产生原因是知识的负迁移，可采用案例法、发现法。

力所不及：不清楚桥梁的结构与承受力有关。

产生原因是超出了认知范围，可采用讲授法、观察法和实验法。

5.教学过程

教学过程主要分为四个环节展开。

第一部分——游戏导入，激发兴趣

教师利用“是真的吗”游戏作为课堂导入，利用教学课件展示，激发学生学习的兴趣和积极性，请学生们进行猜想和讨论。

设计意图：激发学生兴趣和学习积极性，引发学生认知冲突。

第二部分——新課呈现，进行探究

（1）“蛋壳”实验：观看真实的“蛋壳”实验视频；小组讨论蛋壳不易碎的原因，师生分析总结。

（2）由蛋壳引入新知：教师提问鸡蛋是什么形状的？教师演示课件，让学生们观察生活中（生物、建筑物等）的形状；师生总结常见的四种形状（平面与立体形状的区分）。

（3）折纸实验探究：教师给出另一个具有挑战性的实验——利用一张普通的纸将教科书托起来，离桌面15cm。组织学生进行折纸实验；教师组织学生进行相关实验。讲清楚实验要求、标准与注意事项（提出问题，学生进行猜想和假设，记录下来；进行实验验证）。

设计意图：通过学生亲自参与探究实验，可以引起学生强烈的认知冲突，不仅可以暴露出学生的前概念，更重要的是学生对自己亲眼见证过的事实总是更加相信，可以帮助学生获得科学概念，顺利完成概念转变。

第三部分——总结

（1）总结这一课时的主要内容。

（2）澄清学生的混淆概念，纠正错误的理解。

设计意图：帮助学生完成概念的转变和科学概念的构建，利用概念图还可以帮助学生构建系统、有层次的概念体系。

第四部分——生活中的科学

教师引导学生发现生活中的科学——形状在生活中的应用以及仿生学案例；教师引导学生分析这些形状的好处，人们根据这些生物形状特点建造建筑的原因。

设计意图：将所学知识与生活实际相联系，可以增强学生的学习兴趣，达到情感态度、价值观的教学目标。

教学设计效果检验

笔者采用Excel软件中的t检验：双样本等方差假设。如表1所示，实验班和对照班在a=0.05水平上对不同的教学设计反映出显著性差异，证明了本研究中的教学设计在概念的转变方面具有有效性。

T3、T7、T9对应的是问卷的第三道、第七道和第九道题目，这三道题目对应知识点分别是：形状与承受力大小的关系、三角形支架的稳定性和桥梁的承重力与形状和结构有关。该部分内容实验班的教学设计理念：从概念转变的视角出发，贯彻落实STEM教育的核心与本质。在教师的指导下，学生进行实验的预测和探究，数据的整理与分析，及小组汇报、组间点评与师生总结。如表2所示，实验班的教学效果要远远好于对照班。

通过表1和表2的数据比较，验证了本研究提出的基于概念转变视角的STEM教学设计的有效性。通过整个具体实践活动的实施，选取与学生生活实际相关、学生感兴趣的主题可以激发学生学习、探究的热情，从而提高学生对科学知识和科学探究的专注力，培养学生独立思考的思维能力，使学生创作出属于自己的作品[5]，从而不断提高学生的解决问题的能力和创新能力。

总结

本文从“概念转变”视角出发，以《形状与结构》单元为载体，基于STEM的课程设计理念，完成了基于概念转变视角的STEM的教学设计。该教学设计培养了学生的创新思维，帮助学生加强了“科学概念”、修改了“非科学概念”，逐步完成了概念转变，提升了学生的相关能力。STEM教育在培养学生的综合素质、综合运用知识等方面有优势，STEM教育具有极其广泛的发展前景。endprint